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爱因斯坦预言的物质第五状态
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爱因斯坦预言的物质第五状态

2020-07-20 13:35 主页 来源:未知
爱因斯坦预言的物质第五状态

都知道,物质有固液气三态,这是常识。后来科学家告诉我们:物质还有第四态,那就是等离子态。等离子态是在高温、高压等情况下导致原子核与电子被迫分离的物质状态,比如我们生活中的火焰,太阳的核心等等。
那么,你听说过物质还有第五种状态吗?
 
传说中物质的第五态,就是神秘的strong玻色-爱因斯坦凝聚态/strong(Bose–Einsteincondensate,简称BEC)。
所谓的凝聚态,就是指由大量粒子组成,并且粒子之间相互作用比较强的状态,液态和固态其实也都算是凝聚态。但是,还有一些凝聚态非常特别,比如超流态、超导态、铁磁态等等都有着非常神奇的物理性质,而其中最特别的,就是玻色-爱因斯坦凝聚态。
早在1920年的时候,爱因斯坦和玻色两个人就在对光子的统计力学进行研究的时候,预言了这个状态。他们认为,在某种情况下,一个物质的所有原子都只有一个相同的量子态。很快,人们就真的发现了这种状态的物质,于是将其命名为玻色-爱因斯坦凝聚态。
 
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现在我们知道,玻色-爱因斯坦凝聚态的获得并不容易,需要把玻色子原子降温到接近绝对零度时才可以实现。它并没有达到绝对零度,所以粒子没有完全停止运动。但它们拥有着惊人的一致性,因此科学家们形象地将玻色-爱因斯坦凝聚态比喻为strong让无数原子“齐声歌唱”/strong。
如今,人类已经多次成功制造出玻色-爱因斯坦凝聚态物质,但最近比较有影响的,就是NASA在2018年7月时于strong国际空间站/strong制造了这种宇宙中最寒冷的物质。他们在NASA喷气推进实验室的冷原子实验室(ColdAtomLaboratory,简称CAL)将金属strong铷/strong降温到约u100纳开/u(仅比绝对零度高0.0000001摄氏度),终于获得了这种神奇的状态,并且进行了一系列相关的研究和实验。
研究表明,由于温度极低,玻色-爱因斯坦凝聚态的原子全都处于最低能态,运动速度极慢,并且彼此之间距离极近,甚至可以发生重叠,形成高密度的原子云。
 
(图片说明:萨特延德拉·纳特·玻色)
他们之所以选择在国际空间站进行这些实验,是因为玻色-爱因斯坦凝聚态非常敏感,在引力作用下非常容易被破坏,所以才选择太空的微重力环境。
科学家并非不能在地球上创造玻色-爱因斯坦凝聚态物质,利用激光冷却和磁场等手段也可以实现。不过,这对于研究它来说,也有着很大的困难。这是因为,冷却过程的最后一步,就是将这些物质固定在一个磁阱中,然后使其“蒸发”出能量较高的粒子,留下那些能量比较低的粒子。当磁阱中只剩下低能量粒子的时候,它就会关闭,给科学家提供宝贵的研究机会。不过,这个机会持续的时间并不会很长,在重力的作用下,玻色-爱因斯坦凝聚态只能持续几十毫秒。
 
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但是,在太空中,科学家就不需要面对这种麻烦。由于处在微重力状态,玻色-爱因斯坦凝聚态也能保持更长的时间,甚至可以超过1秒。虽然对于我们普通人来说这个时间依然非常短,但它已经比在地球上延长了几十倍的时间,并且可以给科学家提供大量的信息。同时,微重力状态允许科学家制造玻色-爱因斯坦凝聚态的设备相对简单一点点,也更便于科学家的观察和研究。
研究人员指出:“我们发现:射频诱导的蒸发冷却在微重力下显示出明显不同的结果。我们观察到在轨原子增加了三倍,通过施加不同梯度的磁场,确认约有一半的原子处于对磁不敏感的状态|2,0,在磁阱的周围形成了一个环状的云。”
 
如果是在地球上,那么受重力的影响,它们将会从磁阱周围被拖曳走。就像地球上水滴会形成一头尖一头圆的形状,而太空中的水滴就会变成球形一样。得益于太空中的微重力状态,科学家可以更仔细地观察凝结物,从而发现了这团玻色-爱因斯坦凝聚态云周围松散的铷原子环。
玻色-爱因斯坦凝聚态具有着非常特殊的性质,比如在自转的形态下,它甚至可以将光“冻结”,像黑洞一样使射入的光无法逃离,只有在脱离第五状态时光才能重新逃离。同时,我们还可以利用玻色-爱因斯坦凝聚物进行宇宙中引力波的探索,取得更多的天文发现。由于这种状态非常难以获得,所以我们对它的了解还非常有限。
 
(图片说明:国际空间站,科学家在这里的冷原子实验室制造出了玻色-爱因斯坦凝聚物)
我们有理由相信,在玻色-爱因斯坦凝聚态下,可以看到一个非常不一样的世界。也许在这种状态下,许多常态下的物理难题都可以被破解。当我们能够轻松获得玻色-爱因斯坦凝聚物的时候,相信很多科技难题也将被突破。期待。